時(shí)間：2015/6/28來(lái)源：IT貓撲網(wǎng)作者：網(wǎng)管聯(lián)盟我要評(píng)論(0)
序言
Linux是Unix操作系統(tǒng)的一種變種，在Linux下編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序的原理和思想完全類(lèi)似于其他的Unix系統(tǒng)，但它dos或window環(huán)境下的驅(qū)動(dòng)程序有很大的區(qū)別。在Linux環(huán)境下設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序，思想簡(jiǎn)潔，操作方便，功能也很強(qiáng)大，但是支持函數(shù)少，只能依賴kernel中的函數(shù)，有些常用的操作要自己來(lái)編寫(xiě)，而且調(diào)試也不方便。本人這幾周來(lái)為實(shí)驗(yàn)室自行研制的一塊多媒體卡編制了驅(qū)動(dòng)程序，獲得了一些經(jīng)驗(yàn)，愿與Linux fans共享，有不當(dāng)之處，請(qǐng)予指正。 以下的一些文字主要來(lái)源于khg，johnsonm的Write linux device driver，Brennan's Guide to Inline Assembly，The Linux A-Z，還有清華BBS上的有關(guān)device driver的一些資料. 這些資料有的已經(jīng)過(guò)時(shí)，有的還有一些錯(cuò)誤，我依據(jù)自己的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了修正.
一、Linux device driver 的概念
系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序之間的接口，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口.設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閼?yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，這樣在應(yīng)用程序看來(lái)，硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件， 應(yīng)用程序可以象操作普通文件一樣對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作.設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分，它完成以下的功能:
1.對(duì)設(shè)備初始化和釋放.
2.把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù).
3.讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請(qǐng)求的數(shù)據(jù).
4.檢測(cè)和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤.
在Linux操作系統(tǒng)下有兩類(lèi)主要的設(shè)備文件類(lèi)型，一種是字符設(shè)備，另一種是塊設(shè)備.字符設(shè)備和塊設(shè)備的主要區(qū)別是:在對(duì)字符設(shè)備發(fā)出讀/寫(xiě)請(qǐng)求時(shí)，實(shí)際的硬件I/O一般就緊接著發(fā)生了，塊設(shè)備則不然，它利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作緩沖區(qū)，當(dāng)用戶進(jìn)程對(duì)設(shè)備請(qǐng)求能滿足用戶的要求，就返回請(qǐng)求的數(shù)據(jù)，如果不能，就調(diào)用請(qǐng)求函數(shù)來(lái)進(jìn)行實(shí)際的I/O操作.塊設(shè)備是主要針對(duì)磁盤(pán)等慢速設(shè)備設(shè)計(jì)的，以免耗費(fèi)過(guò)多的CPU時(shí)間來(lái)等待.
已經(jīng)提到，用戶進(jìn)程是通過(guò)設(shè)備文件來(lái)與實(shí)際的硬件打交道.每個(gè)設(shè)備文件都都有其文件屬性(c/b)，表示是字符設(shè)備還塊設(shè)備。另外每個(gè)文件都有兩個(gè)設(shè)備號(hào)，第一個(gè)是主設(shè)備號(hào)，標(biāo)識(shí)驅(qū)動(dòng)程序，第二個(gè)是從設(shè)備號(hào)，標(biāo)識(shí)使用同一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的不同的硬件設(shè)備，比如有兩個(gè)軟盤(pán)，就可以用從設(shè)備號(hào)來(lái)區(qū)分他們.設(shè)備文件的的主設(shè)備號(hào)必須與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在登記時(shí)申請(qǐng)的主設(shè)備號(hào)一致，否則用戶進(jìn)程將無(wú)法訪問(wèn)到驅(qū)動(dòng)程序.
最后必須提到的是，在用戶進(jìn)程調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入核心態(tài)，這時(shí)不再是搶先式調(diào)度.也就是說(shuō)，系統(tǒng)必須在你的驅(qū)動(dòng)程序的子函數(shù)返回后才能進(jìn)行其他的工作.如果你的驅(qū)動(dòng)程序陷入死循環(huán)，不幸的是你只有重新啟動(dòng)機(jī)器了，然后就是漫長(zhǎng)的fsck。
二、實(shí)例剖析
我們來(lái)寫(xiě)一個(gè)最簡(jiǎn)單的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。雖然它什么也不做，但是通過(guò)它可以了解Linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的工作原理.把下面的C代碼輸入機(jī)器，你就會(huì)獲得一個(gè)真正的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序.不過(guò)我的kernel是2.0.34，在低版本的kernel上可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，我還沒(méi)測(cè)試過(guò)。
#define __NO_VERSION__
#include <linux/modules.h>
#include <linux/version.h>
char kernel_version [] = UTS_RELEASE;
這一段定義了一些版本信息，雖然用處不是很大，但也必不可少。Johnsonm說(shuō)所有的驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)頭都要包含<linux/config.h>，但我看倒是未必。
由于用戶進(jìn)程是通過(guò)設(shè)備文件同硬件打交道，對(duì)設(shè)備文件的操作方式不外乎就是一些系統(tǒng)調(diào)用，如 open，read，write，close....， 注意，不是fopen， fread，但是如何把系統(tǒng)調(diào)用和驅(qū)動(dòng)程序關(guān)聯(lián)起來(lái)呢?這需要了解一個(gè)非常關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):
struct file_operations {
int (*seek) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int);
int (*read) (struct inode * ，struct file *， char ，int);
int (*write) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int);
int (*readdir) (struct inode * ，struct file *， struct dirent * ，int);
int (*select) (struct inode * ，struct file *， int ，select_table *);
int (*ioctl) (struct inode * ，struct file *， unsined int ，unsigned long);
int (*mmap) (struct inode * ，struct file *， struct vm_area_struct *);
int (*open) (struct inode * ，struct file *);
int (*release) (struct inode * ，struct file *);
int (*fsync) (struct inode * ，struct file *);
int (*fasync) (struct inode * ，struct file *，int);
int (*check_media_change) (struct inode * ，struct file *);
int (*revalidate) (dev_t dev);
}
這個(gè)結(jié)構(gòu)的每一個(gè)成員的名字都對(duì)應(yīng)著一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用.用戶進(jìn)程利用系統(tǒng)調(diào)用在對(duì)設(shè)備文件進(jìn)行諸如read/write操作時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用通過(guò)設(shè)備文件的主設(shè)備號(hào)找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，然后讀取這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的函數(shù)指針，接著把控制權(quán)交給該函數(shù).這是linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序工作的基本原理.既然是這樣，則編寫(xiě)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主要工作就是編寫(xiě)子函數(shù)，并填充file_operations的各個(gè)域.
相當(dāng)簡(jiǎn)單，不是嗎?
下面就開(kāi)始寫(xiě)子程序.
#include <linux/types.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/errno.h>
#include <asm/segment.h>
unsigned int test_major = 0;
static int read_test(struct inode *node，struct file *file，
char *buf，int count)
{
int left;
if (verify_area(VERIFY_WRITE，buf，count) == -EFAULT )
return -EFAULT;
for(left = count ; left > 0 ; left--)
{
__put_user(1，buf，1);
buf++;
}
return count;
}
這個(gè)函數(shù)是為read調(diào)用準(zhǔn)備的.當(dāng)調(diào)用read時(shí)，read_test()被調(diào)用，它把用戶的緩沖區(qū)全部寫(xiě)1.buf 是read調(diào)用的一個(gè)參數(shù).它是用戶進(jìn)程空間的一個(gè)地址.但是在read_test被調(diào)用時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入核心態(tài).所以不能使用buf這個(gè)地址，必須用__put_user()，這是kernel提供的一個(gè)函數(shù)，用于向用戶傳送數(shù)據(jù).另外還有很多類(lèi)似功能的函數(shù).請(qǐng)參考.在向用戶空間拷貝數(shù)據(jù)之前，必須驗(yàn)證buf是否可用。
這就用到函數(shù)verify_area.
static int write_tibet(struct inode *inode，struct file *file，
const char *buf，int count)
{
return count;
}
static int open_tibet(struct inode *inode，struct file *file )
{
MOD_INC_USE_COUNT;
return 0;
}
static void release_tibet(struct inode *inode，struct file *file )
{
MOD_DEC_USE_COUNT;
}
這幾個(gè)函數(shù)都是空操作.實(shí)際調(diào)用發(fā)生時(shí)什么也不做，他們僅僅為下面的結(jié)構(gòu)提供函數(shù)指針。
struct file_operations test_fops = {
NULL，
read_test，
write_test，
NULL， /* test_readdir */
NULL，
NULL， /* test_ioctl */
NULL， /* test_mmap */
open_test，
release_test， NULL， /* test_fsync */
NULL， /* test_fasync */
/* nothing more， fill with NULLs */
};
#p#副標(biāo)題#e#
設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主體可以說(shuō)是寫(xiě)好了�，F(xiàn)在要把驅(qū)動(dòng)程序嵌入內(nèi)核。驅(qū)動(dòng)程序可以按照兩種方式編譯。一種是編譯進(jìn)kernel，另一種是編譯成模塊(modules)，如果編譯進(jìn)內(nèi)核的話，會(huì)增加內(nèi)核的大小，還要改動(dòng)內(nèi)核的源文件，而且不能動(dòng)態(tài)的卸載，不利于調(diào)試，所以推薦使用模塊方式。
int init_module(void)
{
int result;
result = register_chrdev(0， "test"， &test_fops);
if (result < 0) {
printk(KERN_INFO "test: can't get major number\n");
return result;
}
if (test_major == 0) test_major = result; /* dynamic */
return 0;
}
在用insmod命令將編譯好的模塊調(diào)入內(nèi)存時(shí)，init_module 函數(shù)被調(diào)用。在這里，init_module只做了一件事，就是向系統(tǒng)的字符設(shè)備表登記了一個(gè)字符設(shè)備。register_chrdev需要三個(gè)參數(shù)，參數(shù)一是希望獲得
關(guān)鍵詞標(biāo)簽：Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
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